關鍵詞： 視頻濾波器

? ? ? ? 摘要：集成視頻濾波器適用于成本敏感型消費電子應用，如機頂盒。隨著視頻市場朝著更高清晰度發展，視頻濾波器不得不添加更多信道和不同帶寬并支持異常功能(如聲音陷波)，以適應市場需要。由于視頻具有后向兼容的特性，了解各種視頻濾波器需要支持的清晰度、信道數量和傳統標準非常重要。因為本文的目標受眾為中國讀者，所以本文將說明有關中國市場的一些機頂盒市場數據。
中國機頂盒(STB)制造商正占據著每個機頂盒細分市場，包括標清(SD)、高清(HD)、國內、出口、衛星、有線、IP和混合市場。每個細分市場中的產品仍需要大量模擬視頻濾波器集成電路，這是因為后向兼容性仍是這個綜合體的重要組成部分。各種型號的機頂盒采用多種不同的視頻濾波器，術語可能非常混亂，因此了解設計和市場方面的詳細信息非常重要。在中國，無論對于出口還是國內消費，機頂盒市場都變得越來越重要。視頻廣播服務以及機頂盒設計和制造對于中國經濟日益重要。
中國電視廣播公司正積極推動高清服務，高清機頂盒出貨量在中國快速增長。中國高清機頂盒市場復合年增長率在2015年前有望超過20%。2015年前，中國高清機頂盒的年出貨量有望超過每年600萬臺。中國高清有線提供商將目標指向大城市如北京，并支持加入更多高清編程的部署。久而久之，編程的不斷增加進一步推動了中國用戶對高清機頂盒的需求，這與美國和歐洲正在經歷的事情一樣。
全球機頂盒市場分為有線、衛星、IP和混合IP數位地面幾個細分市場。大致的市場份額圖顯示2016年有線占約40%、衛星占約35%、IP占約20%、混合占約5%(圖1)。

圖1：(2016年)按平臺劃分的預估全球機頂盒市場份額

非常有趣的是在操作系統和芯片集方面，機頂盒和智能手機系統齊頭并進。機頂盒現在也開始由操作系統控制，這與智能手機非常類似。Android是一個明顯的例子。另外，很多支持智能手機的主要處理器IC供應商開始加入已有機頂盒處理器制造商行列，提供更復雜的高清機頂盒處理器。大牌智能手機處理器制造商向相鄰市場進軍可能成為一個重要的持續趨勢，因為他們都在尋求擴展市場的途徑。
再回頭看中國機頂盒市場，稱之為ABS-S的中國衛星系統目前是一個重要的市場組成部分并且還在增長中，其運行率為每年約2500萬臺。中國制造機頂盒的出口市場在2013年有望超過6000萬臺，這是一個非常大的市場份額，因為2013年全球機頂盒總出貨量有望超過1.4億臺。
在北美和歐洲，STB市場正逐步向高清機頂盒轉移，而在亞洲和其它新興地區，發展最快的還是更實惠的標清機頂盒。將來另一個重要的增長推動因素將是新興地區開始采用數字錄像機(DVR)，用于存儲其視頻內容并在消費者最方便的時候觀看節目，這是發達國家正在經歷的事情。人口分布趨勢數據明確顯示新興國家中產階級快速成長，隨之而來的是對機頂盒市場的需求明顯增長。根據經濟合作與發展組織(OECD)，中國和印度各自的中產階級在2023年前將超過美國的中產階級。全球中產階級史無前例的增長(主要集中在亞洲)，將對未來的消費電子市場有很大的影響，包括機頂盒市場。目前世界四大頂級機頂盒供應商總部分別位于歐洲、北美和韓國，他們共占略低于一半的市場份額。中國消費者在機頂盒總購買量中的比例不斷升高，因此中國制造商將獲得越來越大的全球市場份額，因為他們在繼續供應不斷增長的國內市場的同時，也在進攻進口市場。
雖然運行高清機頂盒的處理器復雜度越來越高，為了提供美麗的高清畫面，將機頂盒連接至電視的信號仍需要兼容于原有的模擬標準。這就是后向兼容性的概念。更為先進的數字連接方案(如HDMI)也不可能成為機頂盒支持的唯一方式，因為大量電視已安裝模擬輸入。在新興地區尤其如此。因此即使在先進的高清機頂盒中，對傳統視頻濾波器的需求也仍然存在，并且這種需求將持續很長時間。
機頂盒采用視頻濾波器的目的有多種。首先，它們可以用作視頻處理器輸出的數模轉換器之后的重建濾波器。在機頂盒和DVD設備中，它們還可以用作視頻處理器輸入的抗混疊濾波器。圖2顯示支持整個模擬視頻輸出范圍的典型機頂盒。

圖2：典型機頂盒視頻輸出方案
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隨著更高清晰度視頻的出現，必須創造新術語來描述不同的清晰度類型。新術語中包含數字字母結合的術語，如480i、720p、1080i、1080p，指出視頻顯示的行數并說明是交錯(i)顯示還是遞增(p)顯示。交錯方式意味著交替掃描顯示器上的行，遞增方式意味著逐個顯示行。
交錯方式(i)是傳統陰極射線管(CRT)顯示屏的設計方式。方法是點亮玻璃上的發光體，以便在完整顯示整個畫面前發光體不會變暗。發光體發光只能維持一段時間，因此需要調整發光體點亮的時間，從而避免模糊下一幀圖像。在發光體發光時長和刷新時間之間存在一個很精密的平衡。通過采用CRT，點亮相鄰行意味著屏幕頂部消逝而底部被填滿。自上而下點亮交替行并在下一輪中填滿空白位置，這樣畫面的任何部分都不會明顯淡出。
而遞增(p)不會交替行。像素逐個被點亮。遞增掃描具有更好的空間分辨率并且視覺效果優于交錯方式。很顯然，這對于只想看視頻而不想成為視頻工程專家的消費者而言過于復雜了。因此，創建了容易理解的簡單術語。各種數字和字母組合根據術語“清晰度”被劃分為幾類，說明畫面的細致程度。清晰度越高，畫面效果越好，因為行數越多，表示渲染和描述圖像的像素越多。
視頻信號的命名以及清晰度類別的劃分可能需要長篇大論，尤其是在考慮各個地區不同標準的情況下尤其如此。因此為了方便視頻濾波器討論，美國標準規定低于480p的分辨率稱為標準清晰度(SD)，480p稱為增強清晰度(ED)，而720p和1080i稱為高清晰度(HD)。另外，很多視頻設備廠商在不嚴謹的說法中開始采用術語HD(或高清)。
為了表達更準確，視頻行業創造了諸如HD-ready、HD-ready-1080p和Full-HD等術語以期使事情更明了，而實際上卻使情況更混亂。因此，為了處理這種混亂情況，視頻濾波器制造商決定采用術語SD、ED、HD和1080p HD，根據濾波器的截止頻率(或通帶)劃分濾波器，如下所示：
● SD濾波器截止頻率約為8MHz。
● ED濾波器截止頻率約為16MHz。
● HD濾波器截止頻率約為32MHz。
● 1080p濾波器截止頻率介于65至70MHz之間。
按照截止頻率劃分非常簡單，而且能夠避免混亂。圖3和圖4顯示SD和HD濾波器頻率響應的典型示例。

圖3：典型SD濾波器頻率響應

圖4：典型HD濾波器頻率響應


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在設計機頂盒時，設計人員不僅要考慮信道數量，同時還要考慮清晰度。另外，提供集成電路濾波的方式有兩種。一種是采用濾波IC組合，另一種是采用單個濾波IC，處理設計所需的所有信道和清晰度。
視頻產品一個令人沮喪的特點是較舊的要求會存在很長時間。后向兼容性是視頻市場的一個基本組成部分，這也是為何彩色電視可以顯示黑白信號并且高清節目可以在標清顯示屏上觀看的原因。后向兼容性同樣適用于接口。機頂盒背部的接口說明視頻連接設計的一些信息，從復合視頻、S-視頻、分量視頻，到HDMI。視頻濾波器可用于任何連接方式，除了HDMI，因為HDMI為數字信號，不需要模擬濾波器。分量視頻可以是SD、ED或HD，每種情況需要不同的濾波器。此外，還有一種非常罕見的想象，稱為“聲音陷波”(圖5)，它包含在一些采用RF線纜接口(同軸電纜)輸出的機頂盒中。
在某些采用RF輸出的傳統機頂盒中，需要過濾掉頻率約為4.5MHz的音頻載波(針對NTSC系統)。音頻載波存在于SD信號的通帶，必須除掉。通過采用一個窄帶聲音陷波濾波器很容易做到這一點。幸運的是，有一個帶有內置聲音陷波濾波器的視頻濾波IC可用于實現該目的。在視頻濾波IC中內置聲音陷波是相對具有挑戰性的設計。由于其困難程度，帶有聲音陷波的IC濾波器具有非常長的使用壽命，甚至沿用至今(雖然這種連接方案現在也相對罕見)。即使罕見，這種濾波器仍然存在，這是因為機頂盒制造商仍有一些需要提供后向兼容性(甚至兼容于RF輸入)的產品。
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圖5：帶有聲音陷波(增益和延遲)的SD視頻濾波器的頻率響應

機頂盒制造商面臨的另一個重要問題是靜電放電(ESD)。機頂盒制造商已針對離散濾波實現BAV99 ESD保護二極管的標準化。然而，集成視頻濾波器不僅能夠去掉很多離散濾波元件，還能去掉二極管。集成濾波器提供高達12kV的ESD保護，視具體產品而定。ESD保護是個好主意，為了防止破壞昂貴的核心處理芯片，設計人員必須對視頻輸出加以保護才能將其投放市場。
另一個關注點在于減少待機時的電源泄漏。有時稱為“吸血鬼功率”，已經成為一個主要的環境問題，因為它完全是浪費功率。發電很昂貴，并且會釋放溫室氣體，這已經成為一個全球問題。在美國，例如加利福尼亞，最近要求液晶電視符合能源之星(Energy Star)的標準，從而降低其吸血鬼功率。為了顯示能源之星徽標，所有設備(如電視、電腦、顯示器、打印機等)不活動時的功率必須低于30瓦。采用飛兆半導體的低功耗視頻濾波器，能夠使產品更容易符合能源之星標準。
總之，傳統規格仍然存在，甚至新機頂盒通常也需要支持一些舊的要求。幸運的是，視頻濾波器制造商如飛兆半導體，提供大量集成視頻濾波IC產品，支持各種模擬標準并滿足新設計要求。



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